【摘要】为实现夏热冬冷地区建筑屋顶的绿色节能，文章基于绿色建筑原理，结合种植屋面发展现状，设计提出了CMS绿色节能建筑屋顶。该设计充分利用可再生能源，改进了普通种植屋面维护困难的缺点，同时，减轻屋面荷载，保护屋面构造，进一步提升了其优势，期望能有效解决夏热冬冷地区建筑屋顶绿色节能问题。
【关键词】绿色建筑；CMS绿色节能屋顶；再生能源；夏热冬冷地区
1引言
城市的飞速发展使我们对各类能源的使用需求加大，因而导致环境问题层出不穷，相关部门为了改善城市居民生活质量，实现人类的可持续发展，越来越重视绿色建筑在城市设计中所发挥的作用，推出了一系列促进绿色建筑发展的具体措施。其中，绿色屋顶可以保证建筑的保温隔热等功能，有效提高城市的绿化面积[1]，既美观，又可以改善小气候，但由于现有绿色屋顶施工繁琐，成本高昂，加之市面上的简易种植屋顶因气候问题无法在各个地区都做到持续兼容，不能普及，由此，本文就我国夏热冬冷地区提出一种新型绿色节能屋顶。
2绿色建筑与建筑屋顶
2.1绿色建筑的设计理念
绿色建筑的设计理念更加注重人与建筑、环境三者之间和谐共生的关系。通过建筑自身的循环系统，降低能耗，自给自足，走可持续发展之路[2]，以最少的能源输出创造最大、最持久的收益，创造健康、舒适、高效的使用空间，增进人与自然、建筑之间的和谐共生，这是当前绿色建筑发展的重要趋势[3]。广义讲，绿色节能屋顶即在屋顶上设置绿化种植以及节能设施的屋顶。在对绿色屋顶进行设计时，绿色建筑理念的融入涉及多个方面，节能减排、景观绿化是其中非常重要的部分。资源的高消耗和有害气体的排放极大制约了建筑的可持续发展，设计绿色节能屋顶有利于延长建筑的使用周期，减少环境污染，提高能源自循环。
2.2夏热冬冷地区屋面现状
根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016，我国有五个气候分区，夏热冬冷地区主要是指长江中下游及其周围地区，范围涉及十五个省份。该地区建筑物必须满足夏季防热、遮阳、通风降温要求，冬季应兼顾防寒。绿色节能屋顶具有改善地域气候，缓解城市热岛效应，净化空气等作用[4]，可在夏季有效降低屋面内外温度，冬季兼做保温隔热层。目前，在该地区应用的形式大多为种植屋面，即在屋顶上种植绿色植被，以此来打造“屋顶花园”，有效满足建筑的使用性能。但该屋面仍存在许多不足之处，针对夏热冬冷地区，在夏季对种植屋顶进行后期护理时，植物生长较繁茂，需进行人工或是机器修剪；冬季气温较低，植物成活率不高，则需更换植物进行屋顶建设，耗费人力，且经济投入较高[5]。其次，将植物培养层置于屋顶结构层之上，屋顶承受更多的压力和腐蚀，随着建筑使用年限的增长，较难保证建筑的安全实用性。
3CMS绿色节能屋顶设计目标
CMS（CyclicMulti-effectSustainable）即一种循环、多效和可持续的绿色节能屋顶。CMS绿色环保节能屋顶以合理利用风能及太阳能、储蓄雨水利用等功能为主，采用双坡屋顶的形式，使装置充分利用光能、太阳能、风能、雨水等自然资源，为建筑及屋顶进行能源供给。根据绿色屋顶发展现状，本项目旨在设计一个重量较轻的、智能化的、适用范围较广的节能屋顶。对比传统种植屋面，现有CMS绿色节能屋顶在现有屋顶的设计基础上，将环保绿色、节能低碳等目标的实现融入，创造出一个可供建筑使用自给自足的循环系统，达到节能减排和绿色净化的双重目的。屋顶是建筑中最有利于利用风能、太阳能等各种能源的部分之一，在屋顶进行相关能换转换结构的安置，将风能、太阳能等自然能源转换为建筑自身耗能所需能源，在源头上减少对其他能源的使用，在屋顶构造中加入储蓄能源的装备，即可满足一个时期内的能源消耗，而能源消耗后又重新储蓄，循环往复。
4CMS绿色节能屋顶构造原理
4.1CMS屋顶设计构成
该绿色环保节能建筑屋顶由顶板、倾斜座、叶轮、储水腔、马达等构件组成(见图1-图3），顶板的顶部通过螺栓固定连接有倾斜座，倾斜座的内部靠近顶板的上方位置处开设有储水腔，储水腔的一侧外壁上通过螺栓固定连接有马达，马达的一端通过转轴转动连接有丝杠，丝杠的一侧外壁上通过螺纹旋合连接有移动座，倾斜座的一侧外壁上开设有进水槽，倾斜座的内部开设有种植腔。CMS绿色环保节能建筑屋顶，通过倾斜座上的叶轮和太阳能电板，可以将风能和太阳能转化为电能并存储在蓄电池中，为后续屋内和屋顶的用电提供电能，减少电能的消耗，节能环保，通过倾斜座上的种植腔和储水腔，可以实现绿色植被的种植，进一步提高绿色环保效果。
4.2CMS屋顶工作原理
4.2.1雨水回收
见图1-3，当雨水落在倾斜座上，一部分雨落在种植槽内，进入种植腔的土壤中，另一部分雨水则流入外壁上开设的水槽，最后存储在储水腔中，当种植腔内的土壤缺水时，海绵棒将储水腔内的水吸入后把水传递给土壤，保证土壤含有定量、充足的水分，使植被生长稳定，一段时间后，马达通过转轴带动丝杠转动，通过丝杠与移动座的旋合连接，移动座将储水腔内的淤泥和多余的杂质推出储水腔，保证储水腔内部的整洁。
4.2.2再生能源转化
见图1-2，在使用时，将顶板安装在房屋的屋顶上，太阳能板分设坡屋顶两侧，太阳光照射在太阳能电板上，通过太阳能电板将太阳能吸收并转化为电能储存在蓄电池中。除此之外，在屋顶上部安装叶轮和转杆，风力吹动叶轮，叶轮在风能作用下带动转杆转动，发电机将风能转化为电能并存储在蓄电池中。蓄电池中储存的电能用来供给建筑及屋顶所需，当蓄电池中的电能被使用后，又有新的电能输入进来，以此循环，源源不断。
5结果与分析
5.1维护成本
CMS绿色节能屋顶，改善了以往种植屋顶的不足之处。植物种植腔的可移动装置较原有种植屋顶维护更为方便，大大减少了后期维护需要耗费的人力、物力，降低了人工成本。雨水的回收再利用分担了屋顶排水装置的工作量，储蓄雨水并运用清洁装置去除多余杂质后进行植物浇灌，使其形成屋顶自身的可循环系统，无需再耗费其他水资源。风能、太阳能等多种可再生能源的利用使建筑减少外部耗能，通过自身循环装置获得可再生能源并以此发电，降低了相关费用的产出。
5.2建造成本
CMS绿色节能屋顶为组合式可移动安装装置，采用与屋面脱离的形式，在原有屋面上架设CMS屋顶，避免雨水与屋面直接接触，防止了雨水对屋面的腐蚀程度，有效延长原有屋面的使用寿命，降低了屋顶的维护费用。本屋顶的制作采用新型绿色材料，大量利用工业废渣（煤矸石、粉煤灰、炉渣等）代替部分或全部天然资源生产屋顶材料产品，在减轻屋面荷载的同时，降低了建筑结构的用钢量，从而降低整个建筑建造成本。
5.3植被选择
夏热冬冷地区最冷月平均温度满足0℃～10℃，最热月平均温度满足25℃～30℃，日平均温度≤5℃的天数为0d～90d，日平均温度≥25℃的天数为49d～110d。针对该地区的气候现状，CMS绿色节能屋顶应当选择冬季落叶，夏季葱绿的植被进行栽植。针对屋顶承受荷载的能力，应当选择灌木和草本植物进行栽植。满足以上两点的灌木主要有胡枝子、榛、黄栌、连翘、孩儿拳头、六道木等。草本植物主要有野古草、长芒草、黄背草、白羊草、苔草、桔梗、苍术、北柴胡、委陵菜等。
6结语
随着绿色建筑发展理念的不断更新，摒弃固有的单一种植屋顶模式，将节能减排和绿色环保理念更深层次地融入绿色屋顶设计才是对绿色建筑发展目标的最大诠释。文章提出的CMS新型绿色屋顶从多能源利用、降低成本、植被选择等方面在原有绿化屋顶的基础上有所创新，提出并介绍了CMS新型绿色环保节能屋顶的工作原理、性能优势，使其能够更好地运用到绿色建筑设计中。但节能屋顶的相关研究在普及适用度和能源循环效率方面仍有不足之处，未来需继续深入探讨。
作者：钟锐 张玉平 肖胜亮 王学勇 单位：山东农业大学水利土木工程学院
